專利名稱：水體系中磷酸二氫根離子的電化學檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種簡單、靈敏、快速的在水體系中檢測磷酸二氫根離子的 電化學方法。
背景技術：
陰離子在生物體系中無處不在，在廣泛的生化過程中扮演著重要的角色， 陰離子在環(huán)境污染方面的效應現(xiàn)在也被人們意識到。相應的人工陰離子受體， 由于其在醫(yī)學、催化學和環(huán)境學等有潛在的價值，己經(jīng)引起人們很大的興趣，
在近20年內(nèi)，這個發(fā)展尤其明顯。人們投入巨大的努力去發(fā)展陰離子物種的 非生物受體，進而設計出了陰離子的各種各樣的傳感器。這樣，給陰離子在 生物體系和環(huán)境中的測定提供了很大的可能性和方便性，在催化學、醫(yī)學、 生物學、環(huán)境學、營養(yǎng)學等領域有很大的實用價值。
在酸式鹽類中，由于磷酸二氫根離子具有生物重要性。比如，磷主要以 磷酸二氫根離子形態(tài)被水草吸收。磷為構(gòu)成核酸之重要成份，對細胞分裂、 葉綠素、碳水化合物、蛋白質(zhì)合成、呼吸作用等均有密切關系。當然，磷的 濃度對一些生物的生長有著非常重要的影響。比如，磷的濃度低時，會促進 水草對氮之吸收與利用；反之，磷的濃度高時，則水草對氮之吸收與利用減 退，因此磷可以改變水草體內(nèi)氮的平衡關系。所以，深入研究多種樣品中磷 酸二氫根離子含量的分析方法，特別是使用簡單的體系，在水介質(zhì)中檢測生
物體系中重要的陰離子之----磷酸二氫根離子和使用簡單的分析手段，
定量測定水介質(zhì)中磷酸二氫根離子的含量，有著非常重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容
基于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種水體系中磷酸二氫根離子的電化 學檢測方法。它不僅解決了發(fā)展水介質(zhì)中陰離子受體的問題；同時使我們的
4識別體系相對其它的一些識別體系更靈敏、更專一。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的-
1， 一種水體系中磷酸二氫根離子的電化學檢測方法，其步驟是-
a. 將金電極分別用0.30pm和0.05pm氧化鋁懸濁液的麂皮拋光成"鏡 面"，最后經(jīng)乙醇、二次水超聲清洗、備用；
b. 將金電極，參比電極，對電極底端插入電解池中，加入5mL0.5M的 硫酸溶液，將硫酸溶液通入高純氮氣除氧15min，最后將金電極，參比電極， 對電極連接在電極接線柱置于電化學工作站上，電化學工作站與計算機相連；
c. 在電化學工作站的技術選項中選擇循環(huán)伏安技術，設置電位窗為(X2V -1.9V，打開磁力攪拌器，電解池底部攪拌磁子不斷攪拌，運行電化學工作站， 將金電極表面氧化，直至出現(xiàn)的裸金電極在硫酸溶液中的特征循環(huán)伏安曲線 再不發(fā)生變化為止；
d. 氧化結(jié)束后，將金電極取出用二次蒸餾水沖洗干凈、高純氮氣吹干后， 插入盛有5mL含有l(wèi)mM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀 電解質(zhì)溶液的電化學檢測池中，在電化學工作站的技術選項中選擇交流阻抗 技術，頻率范圍設置為lkHz-0.1Hz，偏壓設置為0,225V，打開磁力攪拌器， 不斷攪拌，運行電化學工作站進行掃描；
e. 電化學工作站運行完畢后，將金電極取出用二次蒸餾水沖洗、高純氮 氣吹干，浸入盛有l(wèi)mM巰基卟啉的氯仿溶液中，在4"C下自組裝36h，通過 硫一金化學鍵(S-Au)作用，使金電極表面形成 層致密的巰基卟啉單分子 膜；
f. 將巰基卟啉修飾的金電極從巰基卟啉溶液中取出，用氯仿、乙醇、二 次蒸餾水沖洗、高純氮氣吹千，與參比電極，對電極共同插入盛有5mL含有 lmM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化 學檢測池中，在電化學工作站的技術選項中選擇交流阻抗技術，頻率范圍設 置為1kHz-0.1Hz，偏壓設置為0.225V，打開磁力攪拌器，不斷攪拌，運行 電化學工作站進行掃描，通過計算機監(jiān)測其電化學響應；
g. 將巰基卟啉修飾的金電極從上述電解液中取出，與參比電極，對電極頁
共同插入盛有5mL的5mM磷酸二氫鈉和lmM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分
子的O.IM六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化學檢測池中，在電化學工作站的技術
選項中選擇交流阻抗技術，頻率范圍設置為lkHz - 0.1Hz，偏壓設置為0.225V,
打開磁力攪拌器，不斷攪拌，運行電化學工作站進行掃描，通過計算機監(jiān)測 其電化學響應；
h. 選擇ZSimpWin (Version 3.00, EChem Software, eDAQ Pty Ltd )電化學 交流阻抗擬合軟件，采用軟件中的R(Q(RW))電路模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合；
i. 采用origin軟件作圖，.繪制巰基卟啉修飾的金電極在上述g步驟中的 含有5mL的5mM磷酸二氫鈉和lmM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的 0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液中的交流阻抗擬合曲線；
j.女、別用不同濃度0.02， 0.2， 0.5， 1.0， 3.0， 7.0， 10.0， 20.0， 30.0， 40.0 mM的磷酸二氫鈉的電解液，重復上述f、 g、 h、 i步驟，并將電荷轉(zhuǎn)移阻抗 值(Rct)與磷酸二氫根離子的濃度(C)作圖。
上述檢測磷酸二氫根離子濃度范圍為20pM- 40.0mM。
本發(fā)明對水溶液中磷酸二氫根離子的濃度進行了檢測，擬合得到的巰基 卟啉自組裝膜的電荷轉(zhuǎn)移阻抗值(Rct)與磷酸二氫根離子濃度(C)的關系 曲線圖(如圖4所示)。在實驗中分別加入10.0mM的氯離子、10.0mM溴離 子、10.0mM硝酸根離子，卟啉自組裝膜的電荷轉(zhuǎn)移阻抗值(Rct)沒有發(fā)生 變化，得到與圖4相同的關系曲線。這個實驗說明這種方法具有高靈敏度、 高選擇性和很強的通用性。
本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果和優(yōu)點是
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、 與一些檢測體系相比，本發(fā)明檢測體系相對更靈敏、更專一；并且簡 化了實驗設計，減弱了雜散和相關干擾，達到了在水體系中檢測磷酸二氫根 離子的目的。
2、 靈敏度高、曲線相關性較好、精密度較高、檢測過程簡單。
3、 在其它陰離子共存時對磷酸二氫根離子的選擇性檢測效果好，可以有 效地排其它陰離子的干擾。4、將電化學方法，光譜法等方法被應用于陰離子的檢測。其中電化學方 法由于操作簡便，易于控制等特點，在陰離子的檢測方面受到廣泛關注。 本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明方法在金電極表面自組裝卟啉膜，避免了先合成陰離子有機受體， 在有機溶劑中進行對陰離子的識別或檢測。在金電極表面修飾巰基卟啉，提 高了相應信號，實現(xiàn)了在水體系中有效的和高靈敏度的檢測磷酸二氫根離子；
在多種陰離子共存的水體系中，成功實現(xiàn)了對磷酸二氫根離子的選擇性檢測；
檢測完畢后電極表面可更新，，可以方便進行下一次的巰基卟啉修飾和檢測， 不但提高了陰離子傳感器的重現(xiàn)性和利用率，而且可以降低成本和消耗。
圖1為本發(fā)明三電極電化學系統(tǒng)的構(gòu)造示意圖。圖中，1，磁力攪拌器；
2，電化學檢測池；3，攪拌磁子；4，金電極；5，參比電極；6;對電極；7，
電極接線柱；8，電化學工作站；9，計算機。
圖2為本發(fā)明裸金電極在0.5M硫酸中的循環(huán)伏安圖，掃速0.1V/s。 圖3為本發(fā)明巰基卟啉修飾的金電極在不含有磷酸二氫根離子和含有
5mM磷酸二氫根離子且含有l(wèi)mM探針分子的電解液中的交流阻抗擬合曲線。
圖4為本發(fā)明巰基卟啉修飾的金電極在含有相同濃度的不同陰離子在 含有l(wèi)rnM探針分子的電解液中的交流阻抗擬合曲線。
圖5為本發(fā)明巰基卟啉修飾的金電極在含有不同濃度磷酸二氫根離子 的上述電解液中的交流阻抗值與磷酸二氫根離子濃度的關系曲線圖。
具體實施例方式
為了更清楚地說明本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明
再作進一步的說明
實驗過程中使用的水均為二次蒸餾水，實驗所用的試劑均為分析純，金
電極表面的氧化使用0.5M的硫酸溶液。
7(1) 、本實施例所使用的儀器與試劑
多通道電化學工作站(VMP2，美國Princeton儀器公司)用于交流阻抗 的實驗，Ag/AgCl參比電極(Cffllll，美國CH儀器公司)，石英管加熱式自 動雙重純水蒸餾器(1810B,上海亞太技術玻璃公司)用于蒸二次蒸餾水。 電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司)，用于稱量藥品。ML-卯2磁力攪拌 器(上海浦江分析儀器廠)三氧化二鋁打磨粉(0.30pm， 0.05|im，上海辰華 儀器試劑公司)用于處理的金電極，Ag/AgCl為參比電極，鉑對電極，磷酸 二氫鈉、硝酸鈉、氯化鈉、溴化鈉(西安化學試劑廠)；高純氮氣(純度為 99.999% (02^). 001%))。
(2) 、電極的處理
將金電極4分別用0.30pm和0.05iLim氧化鋁懸濁液的麂皮拋光成"鏡面"， 最后經(jīng)乙醇、二次水超聲清洗；然后，將金電極4，參比電極5，對電極6底 端插入電化學檢測池2中，加入5mL 0.5M的硫酸溶液，硫酸溶液經(jīng)過高純 氮氣除氧15min，最后將金電極4，參比電極5，對電極6連接在電極接線柱 7置于電化學工作站8上，電化學工作站與計算機9相連；在電化學工作站 的技術選項中選擇循環(huán)伏安技術，設置電位窗為0.2V" 1.9V，打開磁力攪拌 器l，電解池2底部攪拌磁子3不斷攪拌，打幵磁力攪拌器l，不斷攪拌，運 行電化學工作站，將金電極表面氧化，直至出現(xiàn)裸金電極在硫酸溶液中的特 征曲線，并且隨著掃描圈數(shù)的增加循環(huán)伏安曲線再不發(fā)生變化(如圖2所示)。
(3) 、巰基卟啉自組裝膜的制備及表征
將氧化后的金電極4取出用二次蒸餾水沖洗、高純氮氣吹干，浸入盛有 lmM的巰基口卜啉的氯仿溶液中，在4。C下浸泡36h,通過硫-金化學鍵(S-Au) 作用，使金電極4表面形成一層致密的巰基卟啉單分子膜。然后，將巰基卟 啉修飾的金電極從卟啉溶液中取出，用5mL氯仿、5mL乙醇、二次蒸餾水沖 洗、高純氮氣吹干，與參比電極5，對電極6共同插入盛有5mL含有l(wèi)mM鐵 氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化學檢測池 2中，在電化學工作站的技術選項中選擇循環(huán)伏安技術和交流阻抗技術，循 環(huán)伏安技術的電位窗設置為-0.1V - 0.5V,交流阻抗技術的頻率范圍設置為lkHz-0.1Hz，偏壓設置為0.225V，打開磁力攪拌器1，不斷攪拌，運行電化 學工作站進行電化學掃描。
(4) 、巰基卟啉修飾金電極對磷酸二氫根離子的檢測 將巰基卟啉的修飾金電極從上述電解質(zhì)溶液中取出，與參比電極5，對
電極6共同插入盛有5mL含有5mM磷酸二氫鈉的上述電解質(zhì)溶液的電化學 檢測池2中，在電化學工作站的技術選項中選擇交流阻抗技術，頻率范圍設 置為lkHz-0.1Hz，偏壓設置為0.225V，運行電化學工作站進行掃描，磷酸 二氫根在巰基卟啉修飾的金電極表面與卟啉環(huán)發(fā)生作用，主要為磷酸二氫根 離子電離出的少量的氫離子使卟啉環(huán)發(fā)生質(zhì)子化作用，質(zhì)子化后的卟啉環(huán)與 磷酸二氫根離子發(fā)生氫鍵作用，通過計算機監(jiān)測其電化學響應(如圖3所示)。
(5) 、巰基卟啉修飾的金電極在含有干擾陰離子的溶液中對磷酸二氫根 離子的檢測
將巰基卟啉修飾的金電極從上述電解質(zhì)溶液中取出，與參比電極5，對 電極6共同插入盛有5mL含有〗OmM磷酸二氫鈉和10mM的干擾陰離子的 上述電解質(zhì)溶液的電化學檢測池2中，在電化學工作站的技術選項中選擇交 流阻抗技術，頻率范圍設置為lkHz - O.lHz，偏壓設置為0.225V，運行電化 學工作站8進行掃描，磷酸二氫根在巰基卟啉修飾的金電極表面與卟啉環(huán)發(fā) 生作用，主要為磷酸二氫根離子電離出的少量的氫離子使卟啉環(huán)發(fā)生質(zhì)子化 作用，質(zhì)子化后的卟啉環(huán)與磷酸二氫根離子發(fā)生氫鍵作用，而硝酸根離子、 氯離子、溴離子等不與卟啉環(huán)發(fā)生作用，通過計算機監(jiān)測其電化學響應(如 圖4所示)。
(5) 、數(shù)據(jù)處理
選擇ZSimpWin (Version 3.00, EChem Software, eDAQ Pty Ltd )電化學擬 合軟件，釆用R(Q(RW))電路模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合。釆用origin軟件作圖，
繪制巰基卟啉修飾的金電極在不同電解液中的交流阻抗擬合曲線。
(6) 、修飾電極的處理
檢測完畢后，將巰基卟啉修飾的金電極4與參比電極5、對電極6共同 插入盛有5mL 0.5M的氫氧化鉀溶液的電化學檢測池2中，金電極4與參比
9電極5、對電極6連接在電極接線柱7置于電化學工作站8上，電化學工作 站與計算機相連；在電化學工作站的技術選項中選擇循環(huán)伏安技術，設置電 位窗為-1.2V-0V,掃描圈數(shù)為10圈，運行電化學工作站進行掃描，掃描結(jié)束后， 卟啉自組裝膜可以完全脫附，脫附后將各電極從檢測池中取出，用二次蒸餾 水沖洗數(shù)次。
分別用不同濃度(0.02， 0.2， 0.5, 1.0， 3.0， 7.0， 10.0, 20.0， 30.0， 40.0 mM)的磷酸二氫鈉的電解液，重復上述f、 g、 h、 i步驟，并將電荷轉(zhuǎn)移阻 抗值(Rct)與磷酸二氫根離子的濃度(C)作圖，可得到線性關系的標準曲 線，隨著磷酸二氫根離子濃度(C)的增大，巰基卟啉自組裝膜的電荷轉(zhuǎn)移阻 抗值(Rct)呈減小趨勢。當與磷酸二氫根離子的濃度(C)達到30.0mM后， 巰基卟啉自組裝膜的電荷轉(zhuǎn)移阻抗值(Ret)呈現(xiàn)穩(wěn)定，顯示金電極表面的巰 基卟啉自組裝膜與磷酸二氫根離子達到飽和狀態(tài)。(如圖5所示)。
權利要求
1、一種水體系中磷酸二氫根離子的電化學檢測方法，其步驟是a.先將金電極(4)分別用0.30μm和0.05μm氧化鋁懸濁液的麂皮拋光成“鏡面”，最后經(jīng)乙醇、二次水超聲清洗、備用；b.再將金電極(4)，參比電極(5)，對電極(6)底端插入電解池(2)中，加入5mL 0.5M的硫酸溶液，將硫酸溶液通入高純氮氣除氧15min，最后將金電極(4)，參比電極(5)，對電極(6)連接在電極接線柱(7)置于電化學工作站(8)上，電化學工作站(8)與計算機(9)相連；c.在電化學工作站(8)的技術選項中選擇循環(huán)伏安技術，設置電位窗為0.2V-1.9V，打開磁力攪拌器(1)，電解池(2)底部攪拌磁子(3)不斷攪拌，運行電化學工作站(8)，將金電極(4)表面氧化，直至出現(xiàn)的裸金電極在硫酸溶液中的特征循環(huán)伏安曲線再不發(fā)生變化為止；d.氧化結(jié)束后，將金電極(4)取出用二次蒸餾水沖洗干凈、高純氮氣吹干后，插入盛有5mL含有1mM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化學檢測池(2)中，在電化學工作站的技術選項中選擇交流阻抗技術，頻率范圍設置為1kHz-0.1Hz，偏壓設置為0.225V，打開磁力攪拌器(1)，不斷攪拌，運行電化學工作站進行掃描；e.電化學工作站(8)運行完畢后，將金電極(4)取出用二次蒸餾水沖洗、高純氮氣吹干，浸入盛有1mM巰基卟啉的氯仿溶液中，在4℃下自組裝36h，通過硫-金化學鍵作用，使金電極(4)表面形成一層致密的巰基卟啉單分子膜；f.將巰基卟啉修飾的金電極(4)從巰基卟啉溶液中取出，用氯仿、乙醇、二次蒸餾水沖洗、高純氮氣吹干，與參比電極(5)，對電極(6)共同插入盛有5mL含有1mM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化學檢測池(2)中，在電化學工作站的技術選項中選擇交流阻抗技術，頻率范圍設置為1kHz-0.1Hz，偏壓設置為0.225V，打開磁力攪拌器(2)，不斷攪拌，運行電化學工作站進行掃描，通過計算機監(jiān)測其電化學響應；g.將巰基卟啉修飾的金電極從上述電解質(zhì)溶液中取出，與參比電極(5)，對電極(6)共同插入盛有5mL的5mM磷酸二氫鈉和1mM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化學檢測池(2)中，在電化學工作站的技術選項中選擇交流阻抗技術，頻率范圍設置為1kHz-0.1Hz，偏壓設置為0.225V，打開磁力攪拌器，不斷攪拌，運行電化學工作站進行掃描，通過計算機監(jiān)測其電化學響應；h.選擇ZSimpWin(Version 3.00，EChem Software，eDAQ Pty Ltd)電化學交流阻抗擬合軟件，采用軟件中的R(Q(RW))電路模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合；i.采用origin軟件作圖，繪制巰基卟啉修飾的金電極在上述g步驟中的含有5mL的5mM磷酸二氫鈉和1mM鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的0.1M六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液中的交流阻抗擬合曲線；j.分別用不同濃度0.02，0.2，0.5，1.0，3.0，7.0，10.0，20.0，30.0，40.0mM的磷酸二氫鈉的電解液，重復上述f、g、h、i步驟，并將電荷轉(zhuǎn)移阻抗值(Rct)與磷酸二氫根離子的濃度(C)作圖。
2、根據(jù)權利要求1所述的水體系中磷酸二氫根離子的電化學檢測方法， 其特征是檢測磷酸二氫根離子濃度(C)范圍為20pM-40.0mM。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水體系中磷酸二氫根離子的電化學檢測方法，它是將金電極表面自組裝卟啉單分子膜后，與參比電極、對電極插入含有鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀探針分子的六氟磷酸鉀電解質(zhì)溶液的電化學檢測池中，進行電化學工作站掃描，得到卟啉自組裝膜的電荷轉(zhuǎn)移阻抗值(R<sub>ct</sub>)；再將卟啉修飾的金電極與參比電極，對電極共同插入盛有待測物磷酸二氫根離子的上述電解質(zhì)溶液的電化學檢測池中，進行電化學工作站掃描，得到卟啉自組裝膜的電荷轉(zhuǎn)移阻抗值(R<sub>ct</sub>)，它與磷酸二氫根離子濃度(C)具有對應關系。本發(fā)明方法在巰基卟啉修飾的金電極表面檢測磷酸二氫根離子，方便快捷，實現(xiàn)了在水體系中有選擇性的檢測磷酸二氫根離子。
文檔編號G01N27/42GK101581688SQ20091002168
公開日2009年11月18日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權日2009年3月12日
發(fā)明者盧小泉, 宋正思, 慧 尚, 徐學鋒, 智福鵬, 楊建東, 王曉燕, 范靜媛, 薛中華 申請人:西北師范大學